配網自動化條件下的FTU優化配置

徐 飛

(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

國內逐步形成電力市場，要求越來越高的電能質量、經濟性和供電可靠性來滿足用戶需要;這就使得電力運營商一定要考慮在滿足系統運行安全性的前提下，提高系統運行的經濟性。配電網位于電力系統的末尾，與電力用戶直接相連，因此配電網的經濟、安全運行被提高到一個非常重要的層面［1］。

目前，配電網一次網架的優化開關配置研究較多，提出了很多的算法來進行一次開關的優化配置［2～7］。配電網開關優化就是制定出配電線路上各種開關的最優位置和對應的開關數量，達到提高電網可靠性和降低電量損失的目的，使得網架經濟、安全運行［8］。然而，很少從建設配電網自動化之后，在遠程遙控這個層面對配電網的可靠性和經濟性進行研究。

文獻［1］提出了綜合費用的目標函數，并且在一定的供電可靠性的約束條件下建立數學模型;文獻［8］運用了等年值法建立了配置開關的模型，考慮了開關投資費用、運行維修費用和停電損失對開關配置的影響，在此基礎上利用了免疫算法來求解。文獻［12］在饋線自動化的基礎上，提出了一種規劃模型，同樣采用遺傳算法來求解;文獻［16］把含有復雜分支線的配電網簡化成為等效的配電網，并在此基礎上進行了可靠性的計算，建立了環網開關優化配置模型;文獻［19］針對中國農村電網和城市電網提出了一種多目標混合數學模型;文獻［20］考慮到了利用投資來修改轄區指數區間，從而計算需要新建多少分段開關，在此基礎上將供缺電量當作評價指標;文獻［21］給出了雙層優化配置方案，確定最優分段開關數量和最恰當的安裝位置。這幾篇文獻主要從配置方案的模型入手，提出比較多的優化模型，完善開關配置的約束條件。

在原有模型的基礎上，以下幾篇文獻主要針對算法進行的改進。文獻［15］提出了一種改進遺傳算法在配電網開關優化配置中的應用，并且具體分析了改進措施;文獻［14］主要對優化模型的算法進行改進，提出了動態規劃算法;文獻［17］提出了運用災變遺傳算法來求解優化模型;文獻［20］提出用枚舉法進行計算開關的優化配置;文獻［21］提出了兩層優化方法，外層采用二分法，內層利用缺供電量來進行評價。

以上都是對一次開關優化配置的研究，沒有針對目前大量建設的配電網自動化后的配電網的終端進行的優化分析，而文獻［18］考慮到了在配電網自動化條件下，不同網絡結構和不同的開關類型，可靠性和經濟性等的差別，但是沒有詳細分析不同典型接線的具體數據。

1 可靠性分析

在配電網自動化改造的初期，重點針對配電網中典型接線方式進行配套自動化改造，然而不同的接線模式，其平均倒閘操作時間、平均故障定位時間和平均轉供電時間等參數不同，對可靠性的影響也不同。

(1)單電源輻射接線模式。該接線模式，在一個負荷點發生故障時，故障點及其后的負荷點均被切斷，供電可靠性較低，配電網自動化建設主要影響平均倒閘操作時間T1和平均故障定位時間T2。

(2)多電源的聯絡接線方式，包括手拉手接線、“3-1”接線方式和多分段多聯絡接線方式等，在對這些接線模式進行可靠性評估時，需要考慮負荷轉移的情況，以準確判斷出每次故障或檢修時受停電影響的用戶數。這種接線方式下，配電網自動化的建設影響平均倒閘操作時間T1、平均故障定位時間T2和平均轉供電時間T3。

除去平均倒閘操作時間T1、平均故障定位時間T2和平均轉供電時間T3，造成系統停電的還有其他因素，比如計劃停電、拉閘限電、系統維護檢修和故障修復時間等，這里將這些時間總和記為TΔ。

系統平均停電持續時間指標SAIDI(小時/戶·年)，記作γSAIDI;平均供電可靠率指標RS(%)，記作γRS;

綜上所述，配電網自動化建設后，在整個網絡的供電可靠性計算公式如下。

式中，Ni為饋線i的負荷點數量;Tij為饋線i上因負荷點j故障導致的停電時間;λij為i饋線上負荷點j的故障(次/年);

以手拉手接線方式(如圖1所示)說明，饋線i上因負荷點j故障導致的停電時間Tij的推導過程。

圖1 手拉手接線方式

如圖1所示，終端FTU1～FTU4和負荷點L1～L4組成了一回10 kV線路，與另一回線路聯絡，形成手拉手典型接線方式，其中FTU1～FTU3為分段開關，FTU4為聯絡開關。

針對左邊一回10 kV線路來說，將FTU1、FTU3和FTU4配置為三遙終端，那么:

(1)當負荷點L1發生故障時，遠程遙控斷開三遙終端FTU1配合出線斷路器切斷負荷點L1的故障，然后遙控閉合三遙終端FTU4，將負荷點L2～L4轉由聯絡線路供電;

(2)當負荷點L2發生故障時，遠程遙控斷開三遙終端FTU1和FTU3切斷負荷點L2的故障，同時也切斷了負荷點L3，負荷點L1不受影響，然后遙控閉合三遙終端FTU4，將負荷點L4轉由聯絡線路供電;

(3)當負荷點L3發生故障時，遠程遙控斷開三遙終端FTU1和FTU3切斷負荷點L3的故障，同時也切斷了負荷點L2，負荷點L1不受影響，然后遙控閉合三遙終端FTU4，將負荷點L4轉由聯絡線路供電;

(4)當負荷點L4發生故障時，遠程遙控斷開三遙終端FTU3配合常開聯絡開關FTU4切斷負荷點L4的故障，負荷點L1～L3不受影響;

其他配置方案同理可推。

綜上所述，設配電線路上2個三遙終端之間為1個獨立段，加上出線斷路器，則一回配電線路有FIIIi(饋線i上三遙終端的個數)個獨立段。一個負荷點故障后，配電線路上所有負荷點的停電時間可以分為3類:①故障負荷點所在獨立段之前的負荷點;②故障負荷點所在獨立段中間的負荷點;③故障負荷點所在獨立段之后的負荷點。

配電線路上所有的負荷點的停電時間滿足如下公式。

圖2 Tij求解流程圖

(1)令Tij為0，饋線i從1到m 循環，分別對配電網中的饋線進行計算;

(2)在饋線i循環中，一條饋線中對所有負荷點j進行從1到Ni循環;

(3)判斷該負荷點在故障段之前、之中還是之后，對Tij進行累加;

(4)當i=m并且j=Nm，也就是說兩層循環完成后，得到

2 經濟性分析

配電網自動化一方面給配電網運行管理帶來了全方位的效益，另一方面其自身的建設涉及范圍廣，投資大，實施時間長，運行維護成本也不容忽視。因此在配電網自動化規劃與建設中必須在投資與效益間取得合理的平衡。

總體來說配電自動化系統帶來的直接經濟效益主要包括提高供電可靠率多售電量和自動化條件下節省的人工設備費用。但由于新增大量配電自動化設備，同時需增加維護人員及維護費用。

(1)電量損耗造成的費用S1

隨著配電網自動化的建設和投入使用，提高了配電網的可靠性，減少了因故障停電而損失的電量。以規劃年度的售電量為基數，配電自動化系統提高供電可靠率，電量損耗造成的費用S1為

式中，γRSnew為建設配電網自動化后的可靠性;E為預測售電量;C1為綜合電價。

(2)自動化系統故障處理檢修費用S2

除了提高供電可靠率外，配電自動化系統還能夠直接減少配電網故障處理、運行維護工作量和工器具使用費用。通過自動化系統，在線路發生故障時，能夠自動定位，減少運行維護人員監測故障的時間和行程。

式中，C2為線路跳閘次數;FIII%為三遙終端覆蓋率;FII%為二遙終端覆蓋率;Sg為自動化條件下1次故障查找和隔離的費用。

(3)減少開關操作人員

由于實現了部分開關的遙控操作，可以減少一次開關設備操作人員，從而減少了費用S3。

式中，C3為一次開關設備操作人員數量;Sc為操作人員費用;

(4)自動化系統增加的自動化維護費用S4

自動化系統一方面使配電網運行維護高效、安全可靠，另一方面也需要耗費一定的人力物力對自動化系統進行維護。

式中，CIII4為三遙配電終端維護人員數量;SIIIw為三遙終端維護人員費用;CII4為二遙配電終端維護人員數量;SIIw為二遙終端維護人員費用。

(5)配電網自動化建設費用S5

配電網自動化建設包括:配電網自動化系統的建設、配電終端的建設和通信設備建設等，建設總費用S5為

圖3 實際網架圖

式中，S△為除終端外的投資，設為常量;CIII為三遙終端單價;CII為二遙終端單價;CI為一遙終端單價;FIII%為三遙終端覆蓋率;FII%為二遙終端覆蓋率。

綜上所述，建設配電網自動化之后的總投資S為

3 模型建立

根據約束條件的分析，可以建立數學模型如下。目標函數為

約束條件為

(1)可靠性約束

式中，γRS為一種終端配置模式下系統可靠性指標;γRS0為給出的系統最低可靠性指標。

(2)經濟性約束

在實際建設中，一個地區的配電網自動化規劃往往有一定的投資要求，即

式中，S5為配電網自動化建設費用;S0為給定的配電網自動化最大建設費用。

4 算例分析

南方電網某城市的配電網規劃中，重點對某片區進行的一次網架規劃，建設完成后由2個手拉手接線方式和1個“3-1”接線方式組成，具體如圖3所示。

變電站I、變電站II和變電站III形成“3-1”接線方式，變電站I和變電站II形成手拉手接線方式1，變電站II和變電站III形成手拉手接線方式2。實際運行中，該片區網絡運行靈活可靠，在配套建設配電網自動化后可靠性會進一步提高。

(1)可靠性計算

去除相同配置，該片區的配置方案有823543個，分別進行可靠性計算，計算結果如圖4所示。

圖4 實際網架的可靠率圖

(2)經濟性計算

根據經濟性分析，假設三遙終端綜合單價20萬元，二遙終端綜合單價5萬元，售電量預測值為20 GWh(根據當地情況定)，一次開關操作人員費用10萬元/人，三遙終端維護費用10萬元/人，二遙終端維護費用5萬元/人。

為去除地區差異性，對計算出的經濟指標S取標幺值，具體數據如圖5所示。

綜上，在給定可靠性指標要求下，可以選出經濟指標最低的配置方案。假設該地區可靠性指標要求大于99.989%，則經濟指標最小為0.787843，即可選出114種配置方案，考慮當地的負荷特性情況和每條線路上負荷點的重要性，選出最佳配置方案，根據該片區的實際情況，選出最佳配置方案如表1所示。

圖5 實際網架的經濟指標圖

表1 最佳配置方案表

表1中，“1”代表安裝三遙終端，“0”代表安裝二遙終端(說明，在實際工程中，二遙終端和一遙終端功能類似，此處沒有安排一遙終端的建設)。

實際網架中，通過以上分析，可以找出終端的最佳配置方案，對配電網自動化規劃起到很好的指導作用。

5 結論

目前，配電網一次網架的優化開關配置研究較多，提出了很多的算法來進行一次開關的優化配置。然而，很少從建設配電網自動化之后，在遠程遙控這個層面對配電網的可靠性和經濟性進行研究。

配電網自動化規劃中遇到的影響因素很多，特別是在配電網自動化的終端配置過程中，需要考慮多方面的因素，具體從一次網架、可靠性和經濟性4個方面進行分析，找到優化終端配置方案的途徑。

在原有研究的基礎上，進一步細化和改進，所做工作如下。

(1)重點分析了可靠性和經濟性對配電網自動化規劃中終端配置方案的影響;

(2)考慮配電網自動化的建設給配電網的可靠性和經濟性帶來的影響，在可靠性和經濟性雙重約束條件下優化終端的配置，使在可靠性滿足要求的基礎上，經濟上達到最優;

(3)建立數學模型，并將數學模型代入實際網架中，進行了詳細計算，并且對某地區實際網架進行了最佳終端配置方案的選擇，證明了該模型的實用性。

［1］陳發堂，呂新慧，鄢學鋒.配電網開關優化配置智能化算法與應用的研究［J］.華東電力，2009(10):1744-1747.

［2］He Y，Andersson G，Allan R N.Determining Optimum Location and Number of Automatic Switching Device in Distribution Systems［C］.In:IEEE Power Tech’99 Conference.Hungary:1999.

［3］Levitin G，Mazal-Tov S，Elmakis D.Optimal Allocation of Sectionalizer in Radial Distribution Networks［C］.In:Proceeding of the 1995 Stockholm Power Tech Conference.Stockholm:761-764.

［4］Celli G，Pilo F.Optimal Sectionalizing Switches Allocation in Distribution Networks［J］.IEEE Trans on Power Delivery，1999，14(3):1167-1172.

［5］Levitin G，Mazal-tov S，Elmakis D.Optimal Sectionalizer Allocation in Electric Distribution Systems by Genetic Algorithm［J］.Electrical Power System Research，1994，31(2):97-102.

［6］WangP，Billinton R.Demand-side Optimal Selection of Switching Device In Radial Distribution System Planing［C］.IEE Proceeding-C，1998，145(4):409-414.

［7］Billinton R，Jonnavithula S.Optimal Switching Device Placement in Radial Distribution Systems［J］.IEEE Trans on Power Systems，1996，11(3):1646-1651.

［8］謝開貴，周家啟.基于免疫算法的配電網開關優化配置模型［J］. 電力系統自動化，2003，27(15):35-39.

［9］Soudi F，Tomsovie K.Optimized Distribution Proteetion Using Binary Programming［J］.IEEE Transon Power Delivery，1998，13(1):218-224.

［10］Brown R E，Gupta S，Christie R D，et al.Automated Primary Distribution System Design:Reliability and Cost Optimization［J］.IEEE Trans on Power Delivery，1997，12(2):1017-1022.

［11］林功平.配電網饋線自動化技術及其應用［J］.電力系統自動化，1998，22(4):64-68.

［12］王天華，王平洋，范明天.饋線自動化規劃中環網開關配置的優化算法研究［J］.電力系統自動化，1999，23(15):15-17，47.

［13］陳泉.中小城市配電網自動化系統的研究［D］.濟南:山東大學，2010.

［14］謝開貴，劉柏私，趙淵，等.配電網開關優化配置的動態規劃算法［J］.中國電機工程學報，2005，25(11):29-34.

［15］王峻峰，謝開貴，周家啟.配電網開關優化配置的改進遺傳算法［J］. 電網技術，2005，29(19):27-32.

［16］史燕琨，王東，孫輝等.基于綜合費用最低的配電網開關優化配置研究［J］.中國電機工程學報，2004，24(9):136-141.

［17］王東，史燕琨，叢吉遠，等.災變遺傳算法在配電網開關優化配置中的應用［J］.高壓電器，2004，40(3):180-182.

［18］王艷松，趙智，陳國明，等.應用禁忌搜索方法優化配電網的開關配置［J］. 高電壓技術，2005，31(3):74-76.

［19］許丹，唐巍.多目標分階段中壓配電線路開關優化配置［J］. 電力系統保護與控制，2009，37(20):47-52.

［20］曹偉，姚建剛.配電網主饋線分段開關優化配置的新方法［J］. 微計算機信息，2009(24):1-2，8.

［21］葛少云，李建芳，張寶貴.基于二分法的配電網分段開關優化配置［J］. 電網技術，2007，31(13):44-49.